细胞膜糖转运系统的蛋白质互作调节研究进展

沈阳农业大学学报，2010－04，41(2)：131-136

Journal of Shenyang Agricultural University，2010－04，41(2)：131-136

细胞膜糖转运系统的蛋白质互作调节研究进展

张立军，殷莎，汪澈，崔震海，胡凯

（沈阳农业大学生物科学技术学院,沈阳110866）

摘要：研究表明，在生物体中，糖的跨膜转运是由糖转运系统介导的，该系统由糖转运蛋白家族蛋白或非糖转运蛋白家族蛋白构成。细胞膜的糖转运不仅受构成转运系统的蛋白基因表达的调节，还受蛋白质互作调节。糖转运蛋白家族成员能够形成同源寡聚体、异源寡聚体，还能与一些非糖转运蛋白发生互作。

关键词：细胞膜糖转运系统；糖转运蛋白；蛋白质互作；寡聚化

中图分类号：Q945.1文献标识码：A文章编号：1000-1700（2010）02-0131-06

Progress in the Regulation of Protein Interaction on Cell Membrane Sugar

Transport Systems

ZHANG Li-jun,YIN Sha,WANG Che,CUI Zhen-hai,HU Kai

(College of Biological Science and Technology,Shenyang Agricultural University,Shenyang110866,China)

Abstract：In organisms,transmembrane sugar transport is mediated by cell membrane sugar transport systems,which consist of proteins from sugar transporter family or non-sugar-transporter family.Sugar transport of cell membrane is not only regulated by gene expression of proteins in sugar transport system,but also by protein interaction.Sugar transporters of cell membrane can form homooligomers or heterooligomers,and interact with other non-sugar-transport protein.

Key words：cell membrane sugar transport system;sugar transporter;protein interaction;oligomerization

糖是生物体的基本营养物质和主要组成成分，也是最重要的能源和碳源[1-2]。糖在生物体内转运方向和转运速率都受到严格的调节，这种调节与介导糖跨膜运输的转运系统有关[3-4]，其分别由糖转运蛋白家族和非糖转运蛋白家族成员构成。糖转运蛋白属于主要易化子超家族(major facilitator superfamily,MFS)，依据被转运糖的种类，主要分为单糖转运蛋白(monosaccharide transporter,MST)和二糖转运蛋白(disaccharide transporter, DST)[5]。单糖转运蛋白主要负责葡萄糖、果糖等己糖以及戊糖的转运，在生物体内广泛存在；二糖转运蛋白主要介导蔗糖的运输，为高等植物所特有[6]。它们二者在氨基酸序列上具有同源性，在蛋白结构上具有相似性。非MFS家族成员构成的糖转运系统包括动物中的Na+-依赖型葡萄糖转运蛋白(SGLT)和细菌中的磷酸转移酶系统(phosphotransferase system,PTS)。研究表明，糖的跨膜转运，不仅受糖转运系统构成蛋白编码基因表达的调节，其转运方向和速率还受糖转运系统构成蛋白之间以及与其他蛋白质的相互作用调节，揭示这种互作机制及其对糖跨膜转运的影响，将有助于阐明糖运输的调节机理以及糖对生物生长发育的能量供应规律和调节功能，并为阐明糖代谢缺陷发生机制提供思路。

1动物细胞膜糖转运系统的蛋白互作调节

1.1动物细胞膜的糖转运系统

在哺乳动物细胞中，葡萄糖进入细胞可以借助两种不同的转运系统：葡萄糖易化扩散转运蛋白(GLUT)和Na+-依赖型葡萄糖转运蛋白(SGLT)。GLUT对D-葡萄糖具有专一性，转运过程中不伴随能量的消耗[7]。GLUT有12个跨膜结构域，迄今为止，在哺乳动物组织中至少发现了14种由不同基因编码的GLUTs，依次命名为GLUT1~ 14。SGLT则以主动方式逆浓度梯度转运葡萄糖(SGLT1和SGLT2)，有的SGLT蛋白不仅行使糖转运的功能，还是糖感受器(SGLT3)[7]。SGLT不属于MFS家族，在一、二级结构上与GLUT和植物的单糖转运蛋白几乎没有同源

收稿日期：2010-01-31

基金项目：国家自然科学基金项目（30870190）；教育部博士点基金项目（200801570005）；辽宁省教育厅科研基金项目（20060784）；沈阳农业大学青年基金项目(2007)

作者简介：张立军(1960-)，男，沈阳农业大学教授，博士，从事植物光合和发育生理研究。

第41卷沈阳农业大学学报性，但是它们对糖的转运机制可能相似[8]。

GLUT 蛋白由多基因家族编码，其成员在底物特异性、转运活性、发育和组织特异性以及对环境的响应方面存在差异，调节方式也是多水平和多机制的，如转录、翻译和蛋白互作调节等。属于MFS 的膜蛋白可以通过寡聚化形成同源二聚体、异源二聚体、甚至四聚体来调节转运活性[9]。SGLT 蛋白家族已经发现230多种蛋白，其中在人类中有11种[10]。

1.2动物细胞膜糖转运系统蛋白间的互作

研究表明，生物膜上的GLUT1可以单体、二聚体、四聚体或与其他蛋白的聚合体形式存在[11]。HEBERT [12]利用脂质双分子层化学交联法研究证明人细胞膜上的GLUT1在二硫苏糖醇有(+DTT)和无(-DTT)的条件下，可以分别形成同源二聚体和同源四聚体。利用结构特异性抗体(抗GLUT1-DTT 抗体，α-IgGs)对人红细胞进行的实验表明，在无DTT 的条件下，膜上的GLUT1均为同源二聚体。他还发现同源二聚体与同源四聚体对D-葡萄糖的识别能力有所差别，前者只有一个D-葡萄糖的识别位点，而后者则至少有2个。另外，二者对细胞松弛素B 的识别能力也存在区别。细胞松弛素B 是一种蛋白抑制剂，它可以与GLUT1跨膜区域10和11上的第388位和412位的色氨酸结合，抑制葡萄糖的运输。研究证实，同源二聚体对细胞松弛素B 的识别能力只有四聚体的一半。以上均表明GLUT1的寡聚体结构可以影响它的功能特性。

1.3动物细胞膜糖转运系统蛋白与其他蛋白的互作

1.3.1糖转运蛋白与14-3-3蛋白的互作14-3-3是一个高度保守的酸性蛋白质家族，其成员的相对分子质量约为25~30kD 。它们通过与靶分子结合改变其构象，从而达到调节靶分子定位、活性或稳定性的作用[13]。迄今为止，已经发现它们与200多种蛋白质存在相互作用，参与物质代谢、基因表达、信号转导、蛋白质定位与运输等的调节。张旭等[14]利用交联以及免疫印迹分析发现14-3-3蛋白可以与GLUT4发生免疫共沉淀。在大鼠脂肪细胞中，14-3-3蛋白与GLUT4之间具有相互作用。研究者们推测：当GLUT4被核内体从细胞膜内吞到细胞质后，14-3-3蛋白与之结合使它被限制在某个特定区室中，而当14-3-3蛋白从GLUT4解离后，GLUT4就能够重新定位到储存结构或行使功能的膜上，并获得受胰岛素调节的敏感性，然而其作用方式和细节目前仍不清楚，需要进一步的研究。

1.3.2糖转运蛋白和钙联接蛋白的互作钙联蛋白(Calnexin)和钙网蛋白(Calreticulin)构成了内质网内蛋白质折叠和装配的重要监控系统[15]。这个系统能够专一地识别以N2糖苷键连接的糖蛋白，保证只有正确折叠的糖蛋白才能到达它们行使功能的场所[16]。MARGOLESE 等[17]和DEGEN 等[18]利用交联反应发现，糖转运蛋白与钙联接蛋白可在体外发生互作。OLIVER 等[19]以GLUT1的N 末端155个残基片段(GT155)为靶蛋白(这个结构包含了N 端糖基化的位点)，利用抗钙联接蛋白抗血清进行免疫共沉淀，发现GT155与钙联蛋白以及钙网蛋白均能发生互作。但同时也发现GT155的突变体AGGT155，由于45位的天冬氨酸发生突变而不能被糖基化，因而不能与上述蛋白发生免疫共沉淀，这个结果说明GT155-钙联蛋白以及GT155-钙网蛋白之间的互作都依赖于GLUT1的糖基化。

1.3.3糖转运蛋白与stomatin 的相互作用脂筏(lipid rafts)在绝大多数哺乳动物细胞质膜都有分布，一般大小为5~300nn ，是生物膜不被去垢剂所溶解的部分。脂筏有一些特有的内在结构蛋白，stomatin 就是其中的一类。BLONDER 等[20]用去垢剂处理红细胞膜得到抗去污剂脂筏(detergent-resistant lipid rafts,DRMR)组分，其中发现存在GLUT1。研究表明GLUT1结合在脂筏的永久蛋白stomatin 上。利用GLUT1的单克隆抗体对人红细胞膜蛋白进行免疫共沉淀，经Westernblot 检验发现stomatin 被沉淀出来。同样，利用stomatin 的抗体也可以从人红细胞膜蛋白中免疫共沉淀出GLUT1。相同的反应也存在于大鼠肝的克隆9细胞中。此外，利用葡萄糖转运蛋白抑制剂细胞松弛素B 降低了细胞对葡萄糖的吸收速率，同时发现stomatin 的表达上升，这个结果间接说明它们之间是存在相互作用的[21]。

1.3.4糖转运蛋白与mUbc9的互作mUbc9是一段约20kD 的蛋白，可在小鼠的骨骼肌、心脏、肝脏及肾组织的提取物中检测到，是泛素交联酶E2的类似物，其特异结合底物蛋白是Sentrin(一种类泛素蛋白)。GIORGINO 等[22]利用酵母双杂交系统发现，mUbc9通过一段11个氨基酸序列直接与GLUT4及GLUT1胞内C 末端区域结合，介导GLUT4及GLUT1与mUbc9的底物蛋白sentrin 结合。mUbc9与葡萄糖转运蛋白的结合得到了体外实验的证实。他们将mUbc9与谷胱甘肽转移酶(glutathione S-transferase,GST)的融合蛋白GST-mUbc9固定于谷

132··